Driefasige Y- en Delta-configuraties

Driefasige Wye(Y)-verbinding

In eerste instantie hebben we het idee van driefasige voedingssystemen onderzocht door drie spanningsbronnen met elkaar te verbinden in wat algemeen bekend staat als de "Y" (of "ster") configuratie.

Deze configuratie van spanningsbronnen wordt gekenmerkt door een gemeenschappelijk aansluitpunt dat één zijde van elke bron verbindt. (Figuur hieronder)

Driefasige "Y"-verbinding heeft drie spanningsbronnen die zijn aangesloten op een gemeenschappelijk punt.

Als we een circuit tekenen dat elke spanningsbron als een draadspoel (dynamo- of transformatorwikkeling) laat zien en wat kleine herschikkingen uitvoeren, wordt de "Y" -configuratie duidelijker in het onderstaande figuur.

Driefasige, vierdraads "Y"-verbinding gebruikt een "gewone" vierde draad.

De drie geleiders die van de spanningsbronnen (wikkelingen) naar een belasting leiden, worden doorgaans lijnen genoemd , terwijl de wikkelingen zelf meestal fasen worden genoemd .

In een Y-verbonden systeem kan er wel of niet (figuur hieronder) een neutrale draad zijn bevestigd op het knooppunt in het midden, hoewel het zeker helpt om potentiële problemen te verminderen als een element van een driefasige belasting niet opengaat, zoals besproken eerder.

Driefasige, driedraads “Y”-verbinding maakt geen gebruik van de nuldraad.

Spannings- en stroomwaarden in driefasensystemen

Wanneer we spanning en stroom meten in driefasige systemen, moeten we specifiek zijn over waar we meten.

Lijnspanning verwijst naar de hoeveelheid spanning gemeten tussen twee lijngeleiders in een gebalanceerd driefasensysteem. Met het bovenstaande circuit is de lijnspanning ongeveer 208 volt.

Fasespanning verwijst naar de spanning gemeten over een component (bronwikkeling of belastingsimpedantie) in een gebalanceerde driefasige bron of belasting.

Voor het hierboven getoonde circuit is de fasespanning 120 volt. De termen lijnstroom en fasestroom volgt dezelfde logica:de eerste verwijst naar de stroom door één lijngeleider en de laatste naar de stroom door één component.

Y-aangesloten bronnen en belastingen hebben altijd lijnspanningen die groter zijn dan fasespanningen en lijnstromen die gelijk zijn aan fasestromen. Als de Y-aangesloten bron of belasting gebalanceerd is, is de lijnspanning gelijk aan de fasespanning maal de vierkantswortel van 3:

De "Y"-configuratie is echter niet de enige geldige voor het met elkaar verbinden van driefasige spanningsbronnen of belastingselementen.

Driefasen Delta(Δ)-configuratie

Een andere configuratie staat bekend als de "Delta", vanwege zijn geometrische gelijkenis met de Griekse letter met dezelfde naam (Δ). Let goed op de polariteit voor elke wikkeling in de onderstaande afbeelding.

Driefasige, driedraads Δ-verbinding heeft geen gemeenschappelijk kenmerk.

Op het eerste gezicht lijkt het alsof drie spanningsbronnen zoals deze een kortsluiting zouden veroorzaken, elektronen die rond de driehoek stromen met niets anders dan de interne impedantie van de wikkelingen om ze tegen te houden.

Vanwege de fasehoeken van deze drie spanningsbronnen is dit echter niet het geval.

Kirchhoff's spanningswet in deltaverbindingen

Een snelle controle hiervan is om de spanningswet van Kirchhoff te gebruiken om te zien of de drie spanningen rond de lus optellen tot nul. Als ze dat doen, is er geen spanning beschikbaar om stroom rond en rond die lus te sturen, en bijgevolg zal er geen circulatiestroom zijn.

Beginnend met het opwinden van de bovenkant en verder tegen de klok in, ziet onze KVL-uitdrukking er ongeveer zo uit:

Als we deze drie vectorgrootheden bij elkaar optellen, tellen ze inderdaad op tot nul. Een andere manier om te controleren of deze drie spanningsbronnen in een lus met elkaar kunnen worden verbonden zonder circulatiestromen te veroorzaken, is door de lus op één knooppunt te openen en de spanning over de onderbreking te berekenen:(figuur hieronder)

De spanning over open Δ moet nul zijn.

Beginnend met de juiste wikkeling (120 V ∠ 120°) en verder tegen de klok in, ziet onze KVL-vergelijking er als volgt uit:

En ja hoor, er zal nul spanning zijn over de onderbreking, wat ons vertelt dat er geen stroom zal circuleren binnen de driehoekige lus van wikkelingen wanneer die verbinding voltooid is.

Nadat we hebben vastgesteld dat een Δ-aangesloten driefasige spanningsbron zichzelf niet zal verbranden als gevolg van circulerende stromen, gaan we over tot het praktische gebruik ervan als een stroombron in driefasige circuits.

Omdat elk paar lijngeleiders direct over een enkele wikkeling in een Δ-circuit is aangesloten, is de lijnspanning gelijk aan de fasespanning.

Omgekeerd, omdat elke lijngeleider wordt aangesloten op een knooppunt tussen twee wikkelingen, is de lijnstroom de vectorsom van de twee verbindende fasestromen.

Het is niet verrassend dat de resulterende vergelijkingen voor een Δ-configuratie als volgt zijn:

Delta-verbinding Voorbeeld Circuitanalyse

Laten we eens kijken hoe dit werkt in een voorbeeldcircuit:(figuur hieronder)

De belasting op de Δ-bron is bedraad in een Δ.

Met elke belastingsweerstand die 120 volt ontvangt van de respectieve fasewikkeling bij de bron, zal de stroom in elke fase van dit circuit 83,33 ampère zijn:

Voordelen van het Delta driefasensysteem

Dus elke lijnstroom in dit driefasige voedingssysteem is gelijk aan 144,34 ampère, wat aanzienlijk meer is dan de lijnstromen in het Y-verbonden systeem waar we eerder naar keken.

Je kunt je afvragen of we hier alle voordelen van driefasige stroom hebben verloren, gezien het feit dat we zulke grotere geleiderstromen hebben, waardoor dikkere, duurdere draden nodig zijn.

Het antwoord is nee. Hoewel dit circuit drie koperen geleiders van nummer 1 nodig heeft (op 1000 voet afstand tussen bron en belasting komt dit neer op iets meer dan 750 pond koper voor het hele systeem), is het nog steeds minder dan de 1000+ pond koper die nodig is voor een enkelfasig systeem dat hetzelfde vermogen (30 kW) levert bij dezelfde spanning (120 volt geleider-naar-geleider).

Een duidelijk voordeel van een Δ-verbonden systeem is het ontbreken van een neutrale draad. Met een Y-aangesloten systeem was een nuldraad nodig voor het geval een van de fasebelastingen zou openbreken (of worden uitgeschakeld), om te voorkomen dat de fasespanningen bij de belasting veranderen.

Dit is niet nodig (of zelfs niet mogelijk!) in een Δ-verbonden circuit.

Met elk belastingsfase-element direct aangesloten over een respectieve bronfasewikkeling, zal de fasespanning constant zijn, ongeacht open storingen in de belastingselementen.

Misschien wel het grootste voordeel van de Δ-aangesloten bron is de fouttolerantie.

Het is mogelijk dat een van de wikkelingen in een Δ-aangesloten driefasige bron faalt (figuur hieronder) zonder de belastingsspanning of -stroom te beïnvloeden!

Zelfs bij een storing in de bronwikkeling is de lijnspanning nog steeds 120 V en is de belastingsfasespanning nog steeds 120 V. Het enige verschil is extra stroom in de resterende functionele bronwikkelingen.

Het enige gevolg van het niet openen van een bronwikkeling voor een Δ-verbonden bron is een verhoogde fasestroom in de resterende wikkelingen. Vergelijk deze fouttolerantie met een Y-verbonden systeem met een open source-wikkeling in de onderstaande afbeelding.

Open "Y"-bronwikkeling halveert de spanning op twee belastingen van een Δ aangesloten op de belasting.

Met een Δ-aangesloten belasting lijden twee van de weerstanden aan verminderde spanning, terwijl één op de oorspronkelijke lijnspanning, 208, blijft. Een Y-aangesloten belasting lijdt een nog slechter lot (figuur hieronder) met dezelfde wikkelfout in een Y-verbonden bron .

Open source-wikkeling van een "Y-Y"-systeem halveert de spanning op twee belastingen en verliest één belasting volledig.

In dit geval hebben twee belastingsweerstanden een verminderde spanning terwijl de derde de voedingsspanning volledig verliest! Om deze reden hebben Δ-aangesloten bronnen de voorkeur vanwege de betrouwbaarheid.

Als echter dubbele spanningen nodig zijn (bijv. 120/208) of de voorkeur hebben voor lagere lijnstromen, zijn Y-verbonden systemen de voorkeursconfiguratie.

BEOORDELING:

• De geleiders die zijn aangesloten op de drie punten van een driefasige bron of belasting worden lijnen genoemd .
• De drie componenten waaruit een driefasige bron of belasting bestaat, worden fasen genoemd .
• Lijnspanning is de spanning gemeten tussen twee willekeurige lijnen in een driefasig circuit.
• Fasespanning is de spanning gemeten over een enkele component in een driefasige bron of belasting.
• Lijnstroom is de stroom door een lijn tussen een driefasige bron en belasting.
• Fasestroom is de stroom door een component die een driefasige bron of belasting omvat.
• In gebalanceerde "Y"-circuits is de lijnspanning gelijk aan fasespanning maal de vierkantswortel van 3, terwijl de lijnstroom gelijk is aan fasestroom.

• In gebalanceerde Δ-circuits is de lijnspanning gelijk aan fasespanning, terwijl de lijnstroom gelijk is aan fasestroom maal de vierkantswortel van 3.

• Δ-aangesloten driefasige spanningsbronnen geven een grotere betrouwbaarheid in het geval van een storing in de wikkeling dan Y-aangesloten bronnen. Y-aangesloten bronnen kunnen echter dezelfde hoeveelheid stroom leveren met minder lijnstroom dan Δ-aangesloten bronnen.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Delta en Wye 3-fasenschakelingen